هدف از فرستنده و گیرنده نوری چیست؟

 

بسیاری از مردم ممکن است با اصطلاح "فرستنده نوری" آشنا نباشند. اما هر بار که در TikTok مرور می‌کنید، تماس‌های ویدیویی برقرار می‌کنید یا فایل‌ها را در فضای ذخیره‌سازی ابری ذخیره می‌کنید، این دستگاه کوچک بی‌صدا در پشت صحنه کار می‌کند.

 

 

ابتدا بیایید بفهمیم که فرستنده و گیرنده نوری چیست

 

یک فرستنده و گیرنده نوری که در صنعت به طور کلی "ماژول نوری" نامیده می شود، اساساً یک مبدل سیگنال است.

 

روتر خانگی، سوئیچ شرکت و سرورهای مرکز داده، همگی با سیگنال های الکتریکی کار می کنند. اما سیگنال های الکتریکی یک مشکل اساسی دارند-آنها خیلی دور سفر نمی کنند. با کابل های مسی، سیگنال 10G فقط می تواند 30-50 متر قبل از خراب شدن حرکت کند و بسیار مستعد تداخل است. حتی یک موتور در نزدیکی کار می تواند مشکلاتی ایجاد کند.

سیگنال های نوری متفاوت هستند. از نظر تئوری، سیگنال‌های نوری در فیبر تک حالته-می‌توانند صدها کیلومتر را با پهنای باند بسیار زیاد طی کنند. یک فیبر به نازکی یک موی انسان می تواند ده ها ترابایت داده را به طور همزمان منتقل کند.

اما مشکل اینجاست: دستگاه ها نمی توانند سیگنال های نوری را پردازش کنند.

 

 

به همین دلیل است که ما به ماژول های نوری به عنوان "مترجم" نیاز داریم:

هنگام ارسال:تبدیل سیگنال های الکتریکی به سیگنال های نوری و ارسال آنها به فیبر.

هنگام دریافت:تبدیل سیگنال‌های نوری در فیبر به سیگنال‌های الکتریکی برای پردازش دستگاه‌ها-به همین سادگی است.

 

مراکز داده - بزرگترین مصرف کنندگان ماژول های نوری

 

اجازه دهید با برخی ارقام مشخص شروع کنم. سال گذشته، من این فرصت را داشتم که از مرکز داده یک ارائه دهنده ابر پیشرو در Zhangbei بازدید کنم. کارکنان عملیات و تعمیر و نگهداری به من گفتند که پردیس واحد آنها بیش از 500000 ماژول نوری دارد و آنها هر ماه چندین صد ماژول نوری را به دلایل مختلف تعویض می کنند. قطعات یدکی مانند کوه های کوچک در انبار انباشته شده بود.

و این فقط یک پردیس بود. مجموع مجموع چندین تولیدکننده بزرگ داخلی به راحتی بیش از ده میلیون ماژول نوری در حال کار است.

 

چرا این همه استفاده می شود؟

دسترسی به سرور
امروزه در مراکز داده اصلی، هر سرور حداقل به دو پورت شبکه 25G یا 100G مجهز است که همگی به ماژول های نوری نیاز دارند. یک رک دارای 40 سرور به 80 ماژول نوری فقط برای آن لایه سرور نیاز دارد.

 

برخی از مردم می پرسند، "چرا فقط از کابل های مسی برای مسافت های کوتاه استفاده نمی کنیم؟"

در واقع چنین راه حلی به نام DAC (کابل مسی اتصال مستقیم) وجود دارد که در فاصله 3 متری واقعاً ارزان و مؤثر است. با این حال، به دلیل تضعیف شدید سیگنال، بیش از 3 متر کار نمی کند. کابل کشی مرکز داده به ندرت مرتب و مرتب است. اغلب شامل پیچ و تاب است که 5 یا 10 متر بسیار رایج است. در چنین مواردی، ماژول های نوری ضروری هستند.

 

ستون فقرات-معماری اتصال برگ

اکثر مراکز داده مناسب اکنون از معماری «Spine»-برگ استفاده می‌کنند. سوئیچ‌های برگ دسترسی به سرور را مدیریت می‌کنند، در حالی که سوئیچ‌های Spine هدایت ترافیک شرق-غرب را انجام می‌دهند.

فاصله بین برگ و ستون فقرات از ده ها تا چند صد متر متغیر است و به طور کلی 100 گرم یا بیشتر است، با تولید کنندگان بزرگ در حال حاضر به 400G می روند.

طبق داده‌های LightCounting در اوایل سال 2024، ماژول‌های نوری 100G همچنان بزرگ‌ترین دسته در محموله‌های مرکز داده هستند، اما 400G رشد شگفت‌آوری را تجربه می‌کند و تقریباً 80 درصد سالانه-در{5}}سال افزایش یافته است.

من احساس می کنم که تا سال 2025، 400G به استاندارد برای مراکز داده جدید ساخته خواهد شد.

 

 

اتصال مرکز داده (DCI)

 

شرکت‌های بزرگ معمولاً چندین مرکز داده در یک شهر دارند که برای همگام‌سازی داده‌ها و بازیابی بلایای طبیعی{0}}به اتصال متقابل با سرعت بالا نیاز دارند.

مسافت DCI در همان شهر معمولاً 10-80 کیلومتر است. قبلاً 100G LR4 و ER4 برای این سناریو استفاده می شد، اما اکنون 400G ZR به طور فزاینده ای در حال استفاده است. ZR یک ماژول نوری منسجم است که قادر است در فواصل 80 کیلومتری یا حتی بیشتر با طول موج 400G تک‌موج کار کند که بسیار قدرتمند است.

 

سال گذشته، مشتری می خواست یک ارتباط مستقیم 400G بین دو مرکز داده در فاصله 60 کیلومتری از هم برقرار کند. در ابتدا، برنامه استفاده از تجهیزات سنتی DWDM بود که چندین میلیون یوان هزینه داشت. بعداً آنها به اتصال مستقیم با ماژول‌های نوری 400G ZR روی آوردند که هزینه را به بیش از نصف کاهش داد و تعمیر و نگهداری را به میزان قابل توجهی ساده کرد. این گواهی بر مزایای پیشرفت تکنولوژی است.

 

خوشه های هوش مصنوعی - داغ ترین روند اخیر

 

مدل‌های{0}}در مقیاس بزرگ در دو سال اخیر رایج شده‌اند و نیازهای پهنای باند شبکه برای خوشه‌های آموزشی به سادگی احمقانه است.

سرور DGX H100 انویدیا، با 8 پردازنده گرافیکی در هر دستگاه و هر پردازنده گرافیکی مجهز به یک پورت اترنت 400G، به هشت ماژول نوری 400G برای هر دستگاه نیاز دارد. راه‌اندازی مجموعه‌ای متشکل از ده‌ها هزار پردازنده گرافیکی منجر به هزینه‌های نجومی برای ماژول‌های نوری می‌شود.

شایعه شده است که یک تولید کننده بزرگ صدها میلیون دلار به تامین کنندگان خود پیش پرداخت کرده است تا ظرفیت تولید ماژول نوری 800G را تضمین کند.

شخصاً احساس می‌کنم که تقاضا برای هوش مصنوعی بسیار سریع است و زنجیره تأمین ماژول‌های نوری به‌طور مداوم محدود بوده است. مستقیم ترین شواهد این است که قیمت سهام چندین تولید کننده پیشرو ماژول های نوری در سال جاری به شدت افزایش یافته است.

شبکه های اپراتورهای مخابراتی یک بازار سنتی برای ماژول های نوری هستند. اگرچه به اندازه مراکز داده "سکسی" نیست، اما مقیاس آنها پایدار است.

 

شبکه حمل و نقل 5G

 

ایستگاه های پایه 5G به سه سطح AAU، DU و CU تقسیم می شوند. اتصالات بین آنها fronthaul، midhaul و backhaul نامیده می شود.

Fronthaul (AAU تا DU) معمولاً از ماژول‌های نوری 25G استفاده می‌کند که معمولاً مسافت‌های آن بیش از 20 کیلومتر نیست. این بخش با استفاده از پروتکل eCPRI نیازمندی های بسیار بالایی برای تأخیر و همگام سازی دارد و ماژول های نوری نیز نیازمندی های خاصی دارند. سال گذشته، در پروژه 5G fronthaul با یک اپراتور تلفن همراه استانی، آنها در مورد آزمایش تأخیر ماژول های نوری بسیار سختگیرانه عمل کردند. چندین دسته به دلیل تأخیر بیش از حد برگردانده شدند. کنترل کیفیت در پروژه های مخابراتی بسیار مهم است.

Midhaul و Backhaul از ماژول های نوری با سرعت های بالاتر، از جمله 50G و 100G، و در فواصل بسیار طولانی تر، احتمالاً ده ها کیلومتر، استفاده می کنند.

اوج استقرار 5G در واقع سپری شده است، اما 6G در مرحله پیش{2}تحقیق است، بنابراین فرصت‌هایی بعداً وجود دارد.

 

شبکه های شهری (MANs) و شبکه های ستون فقرات

 

شبکه‌های متروپولیتن (MANs) در درجه اول شبکه‌هایی هستند که توسط حامل‌ها در داخل شهرها اداره می‌شوند و ترافیک دسترسی مختلف را جمع‌آوری می‌کنند و آن را به شبکه اصلی ارسال می‌کنند.

شبکه ستون فقرات یک شبکه انتقال از راه دور است که شهرها و استان ها را در بر می گیرد و تقریباً تمام ترافیک اینترنت را حمل می کند. شبکه‌های ستون فقرات باید از سیستم‌های DWDM استفاده کنند و ده‌ها یا حتی صدها طول موج را در یک فیبر نوری جمع کنند که هر طول موج در 100G یا 400G اجرا می‌شود.

ماژول‌های نوری مورد استفاده در این زمینه پیشرفته‌ترین ماژول‌های نوری، عمدتاً منسجم، و گران‌قیمت هستند. یک ماژول به راحتی می تواند ده ها هزار یوان هزینه داشته باشد. صادقانه بگویم، کسب و کار شبکه ستون فقرات دارای حاشیه سود بالایی است، اما حجم آن کم است، و پایگاه مشتری محدود به چند شرکت مخابراتی است، که روابط را بسیار مهم می کند.

 

الزامات ماژول نوری شبکه سازمانی

 

شبکه پردیس

شرکت‌های کمی بزرگ‌تر قطعاً باید کابل‌های فیبر نوری را بین ساختمان‌های اداری اجرا کنند. افراطی ترین مثالی که من دیدم شبکه یک محوطه کارخانه خودروسازی است. مساحت کارخانه آنقدر بزرگ است که برخی از ساختمان ها سه یا چهار کیلومتر از هم فاصله دارند و به ماژول های نوری 10G LR یا حتی ER نیاز دارند.

مشتریان سازمانی معمولاً به قیمت- حساس هستند. ماژول‌های نوری سازنده تجهیزات اصلی (OEM) بسیار گران هستند، بنابراین بیشتر ماژول‌های{2}سازگار شخص ثالث را انتخاب می‌کنند. تا زمانی که یک تامین کننده قابل اعتماد پیدا کنید، ماژول های سازگار معمولا بدون مشکل کار می کنند. با این حال، استثناهایی وجود دارد. برخی از شرکت‌ها و مؤسسات مالی بزرگ دولتی{6}} نیاز به استفاده از ماژول‌های OEM در فرآیندهای تدارکات خود دارند، حتی اگر دو یا سه برابر گران‌تر باشند. الزامات انطباق وجود دارد. هیچ راهی برای دور زدن آن وجود ندارد

 

شبکه های ذخیره سازی

در مراکز داده سازمانی، ماژول های نوری نیز برای اتصال سرورها و دستگاه های ذخیره سازی مورد نیاز هستند.

دو سیستم اصلی برای شبکه های ذخیره سازی وجود دارد: کانال فیبر (FC) و اترنت. FC یک پروتکل قدیمی است، اما به دلیل پایداری و قابلیت اطمینان آن هنوز به طور گسترده در صنایعی مانند مالی و مراقبت های بهداشتی استفاده می شود.

ماژول های نوری FC مشخصات خاص خود را دارند: 8G، 16G و 32G FC، و نمی توان آنها را به جای ماژول های نوری اترنت استفاده کرد. در سال‌های اخیر، پروتکل NVMe{4}}oF با استفاده از اترنت برای حمل ترافیک ذخیره‌سازی محبوبیت پیدا کرده است و سهم بازار FC به تدریج در حال کاهش است. با این حال، این روند بسیار کند خواهد بود زیرا بازار موجود بسیار بزرگ است.

 

سایر کاربردهای ماژول های نوری

 

سناریوهای صنعتی

محیط های کارخانه خشن هستند، با سطوح بالای تداخل الکترومغناطیسی و نوسانات شدید دما، که ماژول های نوری معمولی نمی توانند آن را تحمل کنند. ماژول‌های نوری درجه صنعتی-به محدوده دمای عملیاتی -40 درجه تا +85 درجه و همچنین مقاومت در برابر لرزش و ضربه نیاز دارند. هزینه به طور قابل توجهی بالاتر از ماژول های نوری معمولی است، اما مشتریان صنعتی نگران هزینه اضافی نیستند. آنها ثبات را در اولویت قرار می دهند.

دوستی که روی یک پروژه کارخانه فولاد کار می کند به من گفت که سوئیچ های معمولی به سادگی برای تجهیزات شبکه نزدیک کوره بلندشان قابل استفاده نیستند. آنها باید از-تجهیزات درجه صنعتی با ماژول های نوری درجه صنعتی- استفاده کنند، در غیر این صورت شبکه بیش از حد گرم می شود و از کار می افتد.

 

صدا و سیما و تلویزیون

ایستگاه‌های تلویزیونی نیز از ماژول‌های نوری برای انتقال سیگنال‌های ویدئویی به صورت داخلی استفاده می‌کنند، اما پروتکل آن کمی متفاوت است. SDI روی فیبر است.

سیگنال‌های 4K و 8K با کیفیت فوق‌العاده-- دارای پهنای باند بسیار زیادی هستند و فشرده‌سازی باعث ایجاد تأخیر می‌شود که برای پخش زنده غیرقابل قبول است. بنابراین، صنعت پخش از انتقال غیر فشرده استفاده می کند، که تقاضاهای بسیار بالایی را برای پهنای باند ماژول های نوری ایجاد می کند.

 

برنامه های نظامی و ویژه

ماژول‌های نوری نظامی دنیای کاملاً متفاوتی هستند، به سختی و گواهینامه‌های مختلفی نیاز دارند، و قیمت آن نیز در لیگی کاملاً متفاوت-به‌طور فجیعی گران است. افشای جزئیات خاص راحت نیست، اما به طور خلاصه، موانع فنی بسیار زیاد است و بازیکنان زیادی وجود ندارند که بتوانند وارد این عرصه شوند.

 

چگونه یک ماژول نوری را انتخاب کنیم؟

 

پس از بحث در مورد کاربردهای زیاد، چگونه یک ماژول نوری را در کار واقعی انتخاب می کنید؟

 

ابتدا فاصله را درک کنید

هنگام انتخاب ماژول های نوری مقداری حاشیه بگذارید. به عنوان مثال، اگر فاصله اندازه گیری شده 800 متر است، انتخاب کنید

DR (مشخصات 500 متری) قطعا کافی نیست. باید از FR استفاده کنید

 

دوم، نوع فیبر را تأیید کنید

ماژول‌های نوری چند حالته را فقط می‌توان با فیبر چند حالته استفاده کرد و ماژول‌های نوری تک حالته را فقط می‌توان با فیبر تک حالته- استفاده کرد. اگر نوع اشتباهی را انتخاب کنید، ماژول روشن نمی شود.

فیبر چند حالته دارای چندین درجه است: OM1، OM2، OM3، OM4 و OM5. هر چه درجه بالاتر باشد، فاصله پشتیبانی شده بیشتر است. در حال حاضر، OM3 و OM4 جریان اصلی هستند. فیبر تک حالته اساساً G.652 است، بنابراین لازم نیست نگران مدل باشید.

 

سوم، سازگاری دستگاه را بررسی کنید

اگرچه ماژول‌های نوری دارای استاندارد MSA هستند، اما سازندگان تجهیزات مختلف هنوز روش‌های مختلفی را پیاده‌سازی می‌کنند، بنابراین همه آنها لزوماً سازگار نیستند. تجهیزات Cisco و Huawei در مورد ماژول‌های نوری شخص ثالث محدودیت‌های بیشتری دارند و برخی از آنها به ورودی خط فرمان برای شناسایی نیاز دارند. آریستا و ملانوکس نسبتا بازتر هستند. برای اینکه مطمئن باشید، از تامین کننده بپرسید که آیا آن را روی دستگاه مورد نظر آزمایش کرده است یا خیر. تولیدکنندگان اصلی ماژول های نوری سازگار معمولاً لیست های سازگاری دارند.

 

چهارم، به مصرف برق توجه کنید

ماژول‌های نوری پر سرعت-به طور فزاینده‌ای انرژی بیشتری مصرف می‌کنند. یک ماژول 400G DR4 8-10W مصرف می کند، در حالی که یک ماژول 400G ZR می تواند به 15-20W برسد.

اگر همه ماژول‌های نوری در یک سوئیچ نصب شوند، کل مصرف برق می‌تواند چند صد وات باشد که اتلاف گرما را با چالش مواجه می‌کند. به خاطر داشته باشید که برای جلوگیری از بارگذاری بیش از حد سیستم خنک کننده مرکز داده، این را در طراحی خود لحاظ کنید.

 

ماژول‌های 800G در حال حاضر تقاضای زیادی دارند و برخی از مدل‌ها زمان تحویل سه تا چهار ماهه دارند. اگر یک پروژه برنامه زمانبندی فشرده ای دارد، ضروری است که از قبل منابع را تضمین کنید.

 

عیب یابی ماژول های نوری

 

لینک پایین

با ساده ترین کار شروع کنید: آیا ماژول نوری به طور ایمن وصل شده است؟ آیا کابل فیبر نوری به درستی وصل شده است؟ نخندید، برخی از افراد در واقع هنگام وصل کردن کابل فیبر نوری صدای "کلیک" را نمی شنوند و فکر می کنند که به درستی وصل شده است در حالی که اینطور نیست. سپس قطبیت فیبر را بررسی کنید. برای اتصالات فیبر دوگانه، فرستنده (Tx) باید به گیرنده (Rx) متصل شود. اتصال معکوس آنها از روشن شدن آن جلوگیری می کند. اگر باز هم کار نمی کند، از یک برق سنج نوری برای اندازه گیری توان انتقال و دریافت استفاده کنید تا ببینید آیا یکی از ماژول های نوری معیوب است یا خیر.

 

خطا یا از دست دادن بسته:

 

پیوند را دنبال کنید تا ببینید کدام بخش از فیبر معیوب است. اگر باز هم مشکل را پیدا نکردید، با استفاده از فرآیند حذف، ماژول نوری، فیبر یا پورت را جایگزین کنید{1}.

 

بیایید در مورد برخی از روندهای فناوری صحبت کنیم

 

 

800G و 1.6T:

 

فناوری فوتونیک سیلیکون

فوتونیک سیلیکون برای سال‌ها تبلیغ شده است.

صادقانه بگویم، من شخصاً فکر می‌کنم که -به بازار عرضه شده است. از نظر تئوری، فوتونیک سیلیکون می تواند هزینه ها را کاهش دهد و یکپارچگی را افزایش دهد، اما در تولید انبوه واقعی، مسائل مربوط به عملکرد به طور کامل حل نشده است. علاوه بر این، مواد مبتنی بر سیلیکون{3}}را نمی توان برای ساخت لیزر استفاده کرد. آنها هنوز باید با مواد گروه III-V مخلوط و ادغام شوند.

البته این فقط نظر من است. بسیاری در صنعت با این نظر مخالف هستند. اینتل و سیسکو به شدت فوتونیک سیلیکونی را تبلیغ می کنند و باید دلایل خود را داشته باشند.

 

CPO (Co-اپتیک بسته بندی شده)

این مفهوم رادیکال تر است: به طور مستقیم موتور نوری و تراشه سوئیچینگ را با هم بسته بندی می کند. مزیت کاهش قابل توجه مصرف برق و افزایش چگالی پهنای باند است. نقطه ضعف این است که ماژول نوری را نمی توان به صورت جداگانه جایگزین کرد. اگر یکی از کار بیفتد، کل برد ممکن است نیاز به تعویض داشته باشد.

شرکت‌های بزرگی مانند گوگل و متا به شدت CPO را تبلیغ می‌کنند و انتظار می‌رود که در سال 2025 یا 2026 استقرار واقعی آن انجام شود. همکاران تعمیر و نگهداری از CPO می ترسند: در صورت خرابی چگونه آن را جایگزین می کنید؟ آیا کل سیستم باید از رده خارج شود؟

 

در نهایت

 

ایده اصلی ساده است: فرستنده‌های نوری سنگ بنای شبکه‌های ارتباطی مدرن با کاربردهای بسیار گسترده هستند.

از ONU پهن باند خانگی شما تا شبکه اصلی اپراتورهای مخابراتی. از شبکه‌های اداری سازمانی گرفته تا مراکز داده در مقیاس بزرگ؛ از ایستگاه‌های پایه 5G تا خوشه‌های آموزشی هوش مصنوعی{1}}ماژول‌های نوری همه جا هستند.

این صنعت پر زرق و برق نیست و موانع فنی به اندازه موانع موجود در صنعت تراشه ترسناک نیستند، اما قدرت آن در رشد مداوم و مستمر آن نهفته است. موج هوش مصنوعی به این صنعت رونق چشمگیری داده است. اگر شما یک مهندس شبکه، مهندس عملیات مرکز داده، یا صرفاً به صنعت ارتباطات علاقه‌مند هستید، صرف مقداری زمان برای یادگیری ماژول‌های نوری قطعاً ارزشمند است. هرچه بیشتر در این زمینه کار کنید، بیشتر از این قدردانی خواهید کرد.